Rozmowy o budowaniu domu - dobór kolektorów słonecznych

Czego dowiesz się z artykułu?

• Jaka jest najważniejsza różnica między kolektorami słonecznymi a panelami PV?
• Jak działają kolektory słoneczne?
• Jakie rodzaje kolektorów są w sprzedaży?
• Ile udaje się pozyskać energii za pomocą kolektorów słonecznych w naszym klimacie?
• Czy warto montować większą liczbę kolektorów słonecznych?
• Ile kolektorów słonecznych montuje się zazwyczaj w domu jednorodzinnym?
• Czy kolektory, tak jak panele, montuje się nie tylko na dachu?
• Jakie są zasady dotyczące orientacji solarów względem stron świata i ich kąta nachylenia?
• Co poza kolektorami wchodzi w skład instalacji solarnej?
• Jaka powinna być pojemność zasobnika wody w instalacji solarnej?

Inwestor: - Dzień dobry, chciałbym poruszyć temat kolektorów słonecznych. Pozyskują one energię ze słońca, ale ich zasada działania jest inna niż paneli fotowoltaicznych, prawda?

Ekspert budowlany: - Tak, i warto o tym powiedzieć od razu na początku, bo niektórym zdarza się pomylić panele z kolektorami. W końcu jedne i drugie montuje się na dachu, mają podobny kolor i rozmiary... Kolektory pozyskują energię ze słońca, ale są mniej uniwersalne od paneli, bo umożliwiają tylko podgrzewanie ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) i ewentualnie tej z przydomowego basenu.

- Jak działają takie kolektory?

- Najważniejszym elementem kolektora jest metalowy absorber pokryty warstwą pochłaniającą promieniowanie słoneczne. Pozyskane ciepło trafia do rur, w których znajduje się ciecz - mieszanina wody z substancjami zapobiegającymi zamarzaniu, przeważnie glikolem. Po ogrzaniu w kolektorze płyn solarny trafia do domu, gdzie oddaje ciepło w zbiorniku magazynującym wodę. Najczęściej jest to zbiornik ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Jeżeli jednak chcemy wykorzystać wodę do ogrzania domu, może to być tzw. zasobnik wody grzewczej.

Elementy instalacji solarnej.

Znajdujący się w kolektorach płyn podgrzewany jest przez słońce. Może być następnie wykorzystywany do ogrzewania ciepłej wody użytkowej lub do wspomagania c.o. (fot. Fakro)

- Jakie rodzaje kolektorów są w sprzedaży?

- W naszym kraju najpopularniejsze są dwa rodzaje kolektorów: płaskie i rurowe. W tych pierwszych absorber ma postać prostokątnej metalowej płyty z miedzi lub aluminium, pokrytej powłoką poprawiającą zdolność pochłaniania promieniowania słonecznego i ograniczającą oddawanie ciepła. Ciepło odbiera od niego orurowanie, wypełnione niezamarzającym płynem, który krąży pomiędzy kolektorami i wężownicą w zasobniku wody, przekazując jej ciepło. Kolektor umieszczony jest w szczelnej, izolowanej obudowie. W kolektorach próżniowych absorber jest zazwyczaj podzielony na wąskie pasy - po jednym w każdej rurze próżniowej. Łączy je szyna zbiorcza, w której krąży niezamarzający płyn roboczy, odbierający ciepło z kolektora.

Budowa kolektora płaskiego.

Jakie są zalety i wady obu rozwiązań? W kolektorach płaskich powierzchnia absorbera jest duża, dlatego są one bardzo wydajne w sezonie letnim - zbierają promieniowanie z dużej powierzchni. Niestety, w chłodnych porach roku tracą sporo ciepła do otoczenia. W tych okresach lepiej sprawdza się świetnie zaizolowany - dzięki próżni - kolektor rurowy. Trzeba jednak pamiętać, że jego cena jest wyższa, więc taka inwestycja ma sens wtedy, gdy zależy nam na jak największym uzysku energii w skali całego roku.

Kolektory płaskie (fot. z lewej: Viessmann) mają dużą powierzchnię, dlatego są bardzo wydajne w sezonie letnim. Modele rurowe (fot. z prawej: Nibe-Biawar) są z kolei lepiej zaizolowane, więc lepiej sprawdzają się w chłodnych porach roku.

- Kolektory, podobnie jak panele PV, wykorzystują energię słoneczną? Ile udaje jej się pozyskać w naszym klimacie?

- Choć jest on umiarkowany, to i tak słońce dostarcza tyle energii, aby zaspokoić nasze zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. Roczna suma promieniowania przypadająca na 1 m² powierzchni gruntu wynosi bowiem aż ok. 1000 kWh. Niestety, nie jesteśmy w stanie wykorzystać całej docierającej do nas energii, choć producenci kolektorów wciąż udoskonalają oferowane przez siebie konstrukcje. Poza tym cechą naszego klimatu jest bardzo nierównomierny rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku. Ok. 80% energii ze słońca możemy odebrać w sześć najcieplejszych miesięcy roku. Chociaż nawet latem, gdy słońce bywa przesłonięte przez chmury, kolektory pracują mniej wydajnie. W pozostałym okresie, kiedy energia jest nam najbardziej potrzebna, cierpimy na niedobór słońca. Co więcej, na najzimniejsze miesiące roku, czyli grudzień, styczeń i luty, przypada zaledwie ok. 6% z rocznej sumy energii. Dlatego też w naszym klimacie instalacja solarna może być jedynie uzupełnieniem podstawowego źródła ciepła.

Reasumując, płyn podgrzany przez słońce może być wykorzystywany do ogrzewania ciepłej wody użytkowej lub do wspomagania c.o. - niestety tylko wspomagania. To dlatego, że najwięcej energii słonecznej dostajemy nie wtedy, kiedy dom trzeba ogrzewać, tylko wtedy, gdy należy go chłodzić.

Miesięczne sumy promieniowania słonecznego w kWh/m².

- A czy coś by dało zamontowanie większej liczby kolektorów?

- Niestety nie. Po pierwsze taka inwestycja byłaby bardzo kosztowna. Po drugie - niezależnie od wielkości pola kolektorów, zimą temperatura wody podgrzanej przez słońce będzie niewystarczająca. Jest jeszcze kwestia zagospodarowania nadmiaru ciepła latem. Co prawda można je wykorzystać np. do podgrzewania wody w ogrodowym basenie, ale taka infrastruktura jest w naszym kraju rzadkością. Dlatego w polskich warunkach kolektory służą przede wszystkim do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

- To ile tych kolektorów powinno być?

- Najczęściej spotykanym błędem jest przewymiarowanie instalacji solarnej. Jak mówiłem, zakup zbyt dużej liczby kolektorów to niepotrzebny wydatek, ponieważ zimą i tak nie poprawią one w istotny sposób uzysku energii. A latem oznaczają kłopot - co zrobić z nadmiarem ciepła. W domu, w którym mieszkają 4 osoby, wystarczają 2-3 kolektory płaskie lub 2 próżniowe. O większej liczbie urządzeń można pomyśleć, gdy rodzina jest liczna lub chcemy podgrzewać wodę w przydomowym basenie.

W domu zamieszkałym przez 4 osoby wystarczają z reguły 2 lub 3 kolektory. (fot. Gaspol)

- Czy kolektory, tak jak panele, montuje się nie tylko na dachu?

- Tak, dach to najbardziej typowa, ale nie jedyna możliwa lokalizacja tych urządzeń. Jeżeli na dachu nie ma miejsca, lub umieszczenie tam kolektorów byłoby nieefektywne, można rozważyć zamontowanie ich na ścianie budynku lub bezpośrednio na gruncie. W takim wypadku trzeba zastosować specjalny stelaż, stanowiący oparcie dla urządzenia. Ważne, by wybrane miejsce przez większą część dnia było intensywnie oświetlane przez słońce.

Kolektory montuje się z reguły na dachu. Nie może on być zacieniony przez drzewa czy inne budynki. (fot. Hewalex)

Jeżeli na dachu nie ma wystarczającej ilości miejsca, solary można też zamontować np. na ścianie budynku. (fot. Makroterm)

- A jakie są zasady dotyczące orientacji solarów względem stron świata i ich kąta nachylenia?

- Aby jak najlepiej wykorzystać promieniowanie słoneczne, kolektory powinno się skierować na południe. Lokalizacja po stronie wschodniej lub zachodniej jest również możliwa, ale w takim przypadku należy zwiększyć powierzchnię kolektorów. Skierowanie ich na północ nie ma sensu, ponieważ na kolektory praktycznie nie będzie padać najefektywniejsze promieniowanie bezpośrednie. Z podobnych powodów nie należy montować tych urządzeń w miejscach zacienionych przez drzewa, sąsiednie budynki, a także kominy i lukarny na dachu.

Co zaś do kąta nachylenia - kolektory są zazwyczaj montowane na dachach, a te mają przeważnie kąt nachylenia około 45°. I to optymalne rozwiązanie, ponieważ w przedziale 30-60° ilość uzyskiwanej energii jest największa. Jeżeli jednak zależy nam na sezonowym zróżnicowaniu uzysku energii, możemy je nachylić pod innym kątem. Kąt do 30° pozwoli pozyskać najwięcej energii latem, natomiast powyżej 60° zwiększy uzysk ciepła wiosną, jesienią, a szczególnie zimą.

Rozważając zakup kolektorów nie można pominąć aspektu ekologicznego - energia słoneczna jest przyjazna środowisku, w przeciwieństwie np. do paliw kopalnianych. (fot. De Dietrich)

- Co poza kolektorami wchodzi w skład instalacji solarnej?

- Bardzo ważnym elementem jest zasobnik wody. Najbardziej rozpowszechnione są zbiorniki dwuwężownicowe - do dolnej przyłącza się kolektory słoneczne, a do górnej kocioł grzewczy. Trzeba bowiem pamiętać, że kolektor często tylko wstępnie podgrzewa wodę, ale uzyskanie niezbędnej temperatury 35-40°C umożliwia dopiero dogrzanie jej przez kocioł, grzałkę lub pompę ciepła.

- Jaka powinna być jego pojemność?

- Bardzo dobre pytanie. Właściwe dobranie pojemności zasobnika jest niezwykle ważne. Zbyt mały nie będzie w stanie latem wchłonąć całego ciepła z kolektora. Z kolei za zbyt duży nie tylko więcej zapłacimy, ale wiosną i jesienią bardzo duża objętość wody będzie zbyt słabo ogrzana. Poza tym niepotrzebnie będzie zajmował miejsce. Przyjmuje się, że zbiornik powinien mieć pojemność 1,5-2 razy większą niż dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę. W przypadku 4-osobowej rodziny daje to 300-400 l.

Dobierając zasobnik należy też zwrócić uwagę, aby wężownica przeznaczona do przyłączenia kolektorów miała odpowiednio dużą powierzchnię. Dzięki temu wymiana ciepła będzie bardziej efektywna. Mała wężownica, typowa dla zbiorników współpracujących z kotłem, po prostu się nie nadaje, ponieważ płyn solarny ma niższą temperaturę niż woda kotłowa i przekazywanie ciepła nie jest tak efektywne.

Zasobnik wody to niezbędny element instalacji solarnej. (fot. Galmet)

- Dziękuję za rozmowę.

Redakcja BD
fot. otwierająca: De Dietrich